DE4140040A1 - ULTRASONIC DAMPING MATERIAL - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Dämpfungsmaterial mit einem Weich gummi nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 31 37 745 ist ein Ultraschall-Sensor bekannt, bei dem ein piezokeramischer Schwinger am Boden eines topfförmigen Wandlergehäuses angebracht ist und bei dem an der Innenseite des Wandlergehäuses im Bereich des Topfbodens, der als Membran wirkt, zwei einander gegenüberliegende Ultraschall-Dämpfungskörper angeordnet sind. Die Dämpfungskörper wirken dämpfend auf die Schwingung der abgedeckten Membransegmente und dienen damit der Formung der Sende- und/oder Empfangskeule des Ultraschall-Schwingers. Als weiterer Effekt wird dadurch zwar auch das Nachschwingen beeinflußt, das Ultraschall-Wandler dieser Bauart nach Abschalten der Sendeenergiezufuhr zeigen. Eine gezielte Ver kürzung der Nachschwingdauer ist auf diesem Wege nicht erreichbar, da auch die mechanischen Abmessungen des Wandlers die Nachschwing dauer beeinflussen. Gemäß der DE-OS 31 37 745 soll das Dämpfungs material ein Weichgummi mit einer Shore-Härte zwischen 40 Grad und 60 Grad sein, je nachdem ob der Wandler als Sender, als Empfänger oder als beides eingesetzt wird. The invention is based on a damping material with a soft rubber according to the genus of the main claim. From DE-OS 31 37 745 an ultrasonic sensor is known in which a piezoceramic Schwinger is attached to the bottom of a pot-shaped converter housing and where on the inside of the converter housing in the area of Pot bottom, which acts as a membrane, two opposite one another Ultrasonic damping body are arranged. The damping body have a dampening effect on the vibration of the covered membrane segments and thus serve to shape the transmitting and / or receiving lobe of the Ultrasonic transducer. As a further effect this will also the reverberation affects the ultrasonic transducer of this type show after switching off the transmission power supply. A targeted Ver The ringing period cannot be shortened in this way, since the mechanical dimensions of the transducer also cause the ringing affect duration. According to DE-OS 31 37 745, the damping material is a soft rubber with a shore hardness between 40 degrees and 60 degrees, depending on whether the converter as a transmitter, as a receiver or used as both.
Bereits in der DE-OS 31 37 745 wird darauf hingewiesen, daß die Dämpfungskörper eng auf die Abmessungen des Ultraschall-Wandlers, auf die Eigenschaften der verwendeten Materialien und auf die je weilige Arbeitsfrequenz abgestimmt sein müssen.Already in DE-OS 31 37 745 it is pointed out that the Damping body closely to the dimensions of the ultrasonic transducer, on the properties of the materials used and on each because working frequency must be coordinated.
Es hat sich gezeigt, daß ein Weichgummi mit der Shore-Härte von 40 bis 60 Grad nicht immer die gewünschte Dämpfungseigenschaften auf weist, weil die alleinige Spezifikation der Shore-Härte für die Fin dung des geeignetsten Materials nicht ausreichend ist. Andere Mate rialeigenschaften müssen zusätzlich abgestimmt werden, zumal dann, wenn neben der Formung der Sende- und Empfangskeule auch noch eine Minimierung der Nachschwingdauer angestrebt wird.It has been shown that a soft rubber with a Shore hardness of 40 up to 60 degrees does not always have the desired damping properties points because the sole specification of the Shore hardness for the fin the most suitable material is not sufficient. Other mate rial properties must be coordinated, especially since if, in addition to the formation of the transmitting and receiving lobe, also one The aim is to minimize the ringing period.
Das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es bei spielsweise bei einem Ultraschallschwinger sowohl eine optimale Formung der Schall-Keule ermöglicht, als auch ein kurzes Nachschwin gen des Ultraschallschwingers gewährleistet. Letztere Eigenschaft ist besonders dann wünschenswert, wenn der Ultraschallschwinger sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt wird, weil der Ultraschallschwinger erst nach dem Abklingen der Sendeenergie emp fangsbereit ist.The damping material according to the invention with the characteristic note Painting the main claim has the advantage that it is for example, with an ultrasonic transducer, both an optimal one Shaping the sound club enables a short post-swing guaranteed against the ultrasonic transducer. The latter property is particularly desirable when the ultrasonic transducer is used for both sending and receiving because of the Ultrasonic transducer only after the transmission energy has decayed is ready to catch.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Dämpfungsmaterials möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch das Aufbringen des Dämpfungsmaterials auf vorgegebene Bereiche des Schwingkörpers, beispielsweise der Membran eines Ultra schall-Schwingers, sowohl die Ausbreitungsrichtung der Schallkeule als auch die Nachschwingdauer optimal festgelegt werden können. The measures listed in the subclaims provide for partial training and improvements in the main claim specified damping material possible. It is particularly advantageous that by applying the damping material to predetermined Areas of the vibrating body, for example the membrane of an Ultra sound transducer, both the direction of propagation of the sound lobe as well as the ringing duration can be optimally determined.
Besonders einfache Herstellverfahren für das gewünschte Dämpfungs material ergeben sich durch Mischen mit einem Treibmittel, bei spielsweise einem H-Siloxan oder Einleitung eines Gases in den noch flüssigen Kautschuk, weil dieses Verfahren gute reproduzierbare Ergebnisse liefert.Particularly simple manufacturing process for the desired damping material result from mixing with a blowing agent, at for example an H-siloxane or introducing a gas into the still liquid rubber because this process is good reproducible Delivers results.
Besonders vorteilhaft ist ferner, daß das Dämpfungsmaterial in Plat ten vorgefertigt und an wenigstens einer Oberfläche eine Klebschicht aufweist. Dadurch kann das vorgefertigte Material in der passenden Größe ausgestanzt und durch Klebung auf einfache Weise paßgenau mit geringen Toleranzen an die vorgesehene Fläche des Schwingkörpers befestigt werden. Das ermöglicht eine einfache automatische Vor montage des Schwingers.It is also particularly advantageous that the damping material in plat prefabricated and an adhesive layer on at least one surface having. This allows the prefabricated material to be in the appropriate Punched out size and easy to fit by gluing small tolerances on the intended area of the vibrating body be attached. This enables easy automatic pre assembly of the transducer.
Anstelle der Klebschicht ist eine doppelseitige Klebefolie auf das Dämpfungsmaterial aufbringbar, so daß vorteilhaft weitere speziell geformte Dämpfungskörper aufgebracht werden können. Im Herstellungs prozeß werden dadurch beispielsweise unerwünschte Lösungsmittel dämpfe vermieden, die sonst beim Auftragen einer Klebschicht un vermeidbar sind.Instead of the adhesive layer is a double-sided adhesive film on the Damping material can be applied, so that advantageous further specifically shaped damping body can be applied. In manufacturing process, for example, undesirable solvents Avoid vapors that would otherwise occur when applying an adhesive layer are avoidable.
Es hat sich als Vorteil herausgestellt, daß die Verwendung von Sili konschaum wegen seinem gleichbleibenden mechanischen Verhalten über einen großen Temperaturbereich, wegen seiner hohen Alterungsbestan digkeit und seinen günstigen physiologischen Eigenschaften besonders gut geeignet ist.It has proven to be an advantage that the use of Sili foam over because of its constant mechanical behavior a wide temperature range because of its high aging resistance and its favorable physiological properties is well suited.
Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung entnehmbar.Further advantages of the invention can be found in the description.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des Dämpfungsmaterials, Fig. 2 einen Ultraschallschwinger mit dem Dämpfungsmaterial im Schnitt und Fig. 3 in Draufsicht.An embodiment of the invention is shown in the drawing and Darge explained in more detail in the following description. Fig. 1 shows a section through the structure of the damping material, Fig. 2 shows an ultrasonic transducer with the damping material in section and Fig. 3 in plan view.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Dämpfungsmaterial 1 im Quer schnitt dargestellt. Das Dämpfungsmaterial 1 besteht aus einem ge schäumten Weichgummi, wie es beispielsweise durch einen gießbaren 2-Komponenten-Silikonkautschuk durch Zusatz eines Treibmittels wie H-Siloxans aufschäumbar ist. Durch das Treibmittel sind in dem Dämp fungsmaterial viele unregelmäßig verteilte Hohlräume oder Blasen 2 entstanden. Bedingt durch den Herstellungsprozeß ist die Verteilung der Hohlraumgröße vorgebbar. Die Hohlräume haben meist kugelförmige geschlossene Zellen, deren Größe auf die zu dämpfende Schwingungs frequenz abgestimmt ist. Sowohl die mittlere Größe der Hohlräume 2 bzw. deren Durchmesser 3 als auch die spezifische Dichte des Mate rials, ist durch den gewählten Weichgummi und den Herstellungsprozeß vorgebbar. Eine besonders kurze Nachschwingzeit ergibt sich, wenn das Dämpfungsmaterial folgende Parameter aufweist:In Fig. 1 a section of a damping material 1 is shown in cross section. The damping material 1 consists of a foamed soft rubber, as can be foamed, for example, by a castable 2-component silicone rubber by adding a blowing agent such as H-siloxane. The blowing agent has created many irregularly distributed cavities or bubbles 2 in the damping material. Because of the manufacturing process, the distribution of the cavity size can be predetermined. The cavities usually have spherical closed cells, the size of which is matched to the vibration frequency to be damped. Both the average size of the cavities 2 or their diameter 3 as well as the specific density of the material can be predetermined by the selected soft rubber and the manufacturing process. A particularly short ringing time results if the damping material has the following parameters:
- - Geschäumter Gummi mit einer Dichte von 0,8 bis 1,0 g/ccm- Foamed rubber with a density of 0.8 to 1.0 g / ccm
- - Shore-Härte A ca. 20 bis 30- Shore hardness A approx. 20 to 30
- - Durchmesser der Hohlräume zwischen 0,1 und 1 mm in der stati stischen Verteilung.- Diameter of the cavities between 0.1 and 1 mm in the stati distribution.
Mit diesem Material lassen sich durch gezieltes Aufschäumen eines gießbaren 2-Komponenten-Silikonkautschuks sehr einfach und preiswert Dämpfungsplatten herstellen. Das Material wird zunächst in einem bekannten Gießverfahren in Plattenform hergestellt und einseitig mit einer Klebeschicht oder einer doppelseitigen Klebefolie 4 versehen. Danach wird es in die gewünschte Form gestanzt und auf die vorge sehenen Stellen der Membran 6 geklebt.With this material, damping plates can be produced very easily and inexpensively by targeted foaming of a pourable 2-component silicone rubber. The material is first produced in a known casting process in plate form and provided on one side with an adhesive layer or a double-sided adhesive film 4 . Then it is punched into the desired shape and glued to the locations of the membrane 6 provided .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in die flüssigen Silikon-Kautschuk-Komponenten Luftblasen einzurühren oder einzublasen, das noch flüssige Silikon-Kautschuk-Material auf die betreffenden Stellen der Membran zu gießen und dort vulkanisieren zu lassen. Vor dem Gießen wird in das Gehäuse 8 ein Stempel eingeführt, der zusammen mit dem Gehäuserand- und -boden als Gießform wirkt und nach dem Aushärten des Silikonmaterials wieder herausgenommen wird. Durch das Vulkanisieren werden die Blasen "eingefroren". Die Vulka nisationszeit muß so kurz sein, daß die Gasblasen vor dem Aushärten nicht an die Oberfläche steigen und damit die statistische Vertei lung stören.In a further embodiment of the invention, air bubbles are stirred into or blown into the liquid silicone rubber components, the still liquid silicone rubber material is poured onto the relevant areas of the membrane and allowed to vulcanize there. Before the casting, a stamp is inserted into the housing 8 , which together with the housing edge and bottom acts as a casting mold and is removed again after the silicone material has hardened. The bubbles are "frozen" by the vulcanization. The vulcanization time must be so short that the gas bubbles do not rise to the surface before curing and thus disrupt the statistical distribution.
Im Schnittbild der Fig. 2 bzw. in Draufsicht der Fig. 3 ist die Anwendung des Erfindungsgegenstandes an einem Ultraschall-Schwinger (US-Schwinger) dargestellt. Das im Querschnitt dargestellte ringför mige Gehäuse 8 ist an einer Querschnittsfläche mit einer Membran 6 abgedeckt. Im Innenraum ist etwa mittig zur Membran ein Piezoschwin ger 7 angeordnet. Die restliche Innenflache der Membran 6 ist ganz oder teilweise mit entsprechend geformten Stanzteilen des Dämpfungs materials 1 belegt. Die Fixierung des Dämpfungsmaterials 1 an die Membran 6 erfolgt mittels eines Silikonklebers oder einer doppel seitigen Klebefolie. Eine besonders wirkungsvolle Fixierung ergibt sich auch durch Beschichten der Dämpfungsplatte mit einer Silikon harzklebelösung, die zunächst beim Ausstanzen der Formteile durch eine Schutzfolie abgedeckt ist. Derartige Formteile lassen sich sehr preiswert herstellen und einfach zu handhaben. Vor der Befestigung wird die Schutzfolie abgezogen und die Dämpfungsplatte an die gewünschte Stelle aufgeklebt. Dieses sehr einfache und preiswerte Montageverfahren läßt sich insbesondere in der Serienfertigung gut verwenden, da gute reproduzierbare Ergebnisse mit geringen Ferti gungstoleranzen erreicht werden.The sectional view of FIG. 2 and the top view of FIG. 3 show the application of the subject matter of the invention to an ultrasonic transducer (US transducer). The ringför shaped housing 8 shown in cross section is covered on a cross-sectional area with a membrane 6 . In the interior, a Piezoschwin ger 7 is arranged approximately in the center of the membrane. The remaining inner surface of the membrane 6 is completely or partially covered with appropriately shaped stamped parts of the damping material 1 . The damping material 1 is fixed to the membrane 6 by means of a silicone adhesive or a double-sided adhesive film. A particularly effective fixation also results from coating the damping plate with a silicone resin adhesive solution, which is initially covered by a protective film when the molded parts are punched out. Such molded parts can be manufactured very inexpensively and are easy to handle. Before the attachment, the protective film is removed and the damping plate is glued to the desired location. This very simple and inexpensive assembly method can be used particularly well in series production, since good reproducible results can be achieved with low manufacturing tolerances.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, anstelle der inneren Seite, die äußere Seite der Membran 6 mit der Dämpfungs platte zu belegen.In a further embodiment of the invention it is provided, instead of the inner side, to occupy the outer side of the membrane 6 with the damping plate.
Im folgenden wird die Wirkungsweise des Dämpfungsmaterials an dem Ultraschallwandler der Fig. 2 oder 3 beschrieben. Bei dem bekannten US-Wandler werden zur Beeinflussung der Ausbreitungs- bzw. Empfangs keule kreisabschnittsförmige Dämpfungskörper auf der Membraninnen seite angeordnet. Diese Dämpfungskörper bedämpfen jedoch die mecha nische Schwingung der Schwingmembran, da sie einerseits die schwin gende Masse in hohem Maße erhöhen und andererseits die Steifigkeit der Membran verändern. Dadurch wird die Dämpfung des mechanischen Schwingsystems erhöht, wobei die Schwingverteilung auf der Membran verändert wird. Diese Maßnahmen wirken sich auf die Frequenz, die Güte und die Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik des Ultraschall wandlers aus. Um eine Optimierung zu erhalten, muß die Form, Größe und Anordnung des Dämpfungskörpers durch entsprechende Versuche er mittelt werden.The mode of operation of the damping material on the ultrasound transducer of FIG. 2 or 3 is described below. In the known US converter to influence the propagation or reception club-shaped damping body are arranged on the inside of the membrane side. However, these damping bodies dampen the mechanical vibration of the vibrating diaphragm, because on the one hand they increase the vibrating mass to a large extent and on the other hand they change the rigidity of the diaphragm. This increases the damping of the mechanical vibration system, the vibration distribution on the membrane being changed. These measures affect the frequency, quality and the radiation or reception characteristics of the ultrasonic transducer. In order to obtain an optimization, the shape, size and arrangement of the damping body must be determined by appropriate tests.
Eine optimale Wirkungsweise des Dämpfungskörpers ergibt sich, wenn folgende Bedingungen erfüllt werden:The damper body works optimally if the following conditions are met:
- 1. Er muß die Membranschwingung an den von ihm abgedeckten Bereichen möglichst gut unterbinden. Diese Maßnahme ergibt eine gute Formung der Schallkeule. Das Dämpfungsmaterial muß dazu eine möglichst hohe Dichte haben. 1. He must the membrane vibration in the areas covered by him prevent as well as possible. This measure results in good shaping the sound club. The damping material must be as high as possible Have density.
- 2. Das Material des Dämpfungskörpers muß Schallwellen, besonders Wellen mit der Arbeitsfrequenz, möglichst gut absorbieren. Diese Maßnahme ergibt kurzes Nachschwingen des Systems.2. The material of the damping body must be sound waves, especially Absorb waves with the working frequency as well as possible. These Measure results in a short reverberation of the system.
Eine besonders hohe Schallabsorption läßt sich in gummiartigen Poly meren dann erreichen, wenn das Material kleine Hohlräume enthält.A particularly high sound absorption can be found in rubber-like poly reach when the material contains small voids.
Schall pflanzt sich in Festkörpern üblicherweise in Form von Longi tudinalwellen fort. An den Grenzflächen zum Hohlraum wird die longi tudinale Deformation in eine transversale Deformation umgewandelt. Im viskoseelastischen Gummi wird die Energie der Transversalwelle wiederum durch molekulare Relaxation in Wärme übergeführt. Der Schallwelle wird somit Energie entzogen.Sound is usually planted in solids in the form of longi tudinal waves. The longi tudinal deformation converted into a transverse deformation. The energy of the transverse wave is in the viscose-elastic rubber again converted into heat by molecular relaxation. The Sound is thus extracted from energy.
Da sich die Forderungen nach möglichst hoher Dichte einerseits und Vorhandensein von Hohlräumen im Material andererseits widersprechen, ist ein Kompromiß zu finden. Durch Versuche an Ultraschall-Wandlern mit Frequenzen zwischen 20 KHz und 50 KHz wurde ermittelt, daß ein Silikonschaum-Material mit einer Dichte zwischen 0,8 g/ml und 1 g/ml und gleichmäßig verteilten, geschlossenen Hohlräumen mit Durchmes sern zwischen 0,1 mm und 1 mm am besten geeignet ist. Die stati stische Verteilung der Hohlraumgröße bewirkt, daß Schallwellen innerhalb einer großen Bandbreite ihrer Frequenz absorbiert werden. Dies ist von Vorteil, da infolge der kurzzeitigen Sendephase immer auch Schwingungen außerhalb der gewünschten Arbeitsfrequenz angeregt wurden. Das Dämpfungsmaterial trägt dazu bei, diese unerwünschten Schwingungen vorteilhaft zu unterdrücken.Since the demands for the highest possible density on the one hand and Contradict the presence of voids in the material, a compromise can be found. By tests on ultrasonic transducers with frequencies between 20 KHz and 50 KHz it was determined that a Silicone foam material with a density between 0.8 g / ml and 1 g / ml and evenly distributed, closed cavities with a diameter between 0.1 mm and 1 mm is most suitable. The stati static distribution of the cavity size causes sound waves be absorbed within a wide range of their frequency. This is an advantage because it is always due to the short transmission phase also vibrations outside the desired working frequency are stimulated were. The damping material helps to make these undesirable Advantageously suppress vibrations.
Das Dämpfungsmaterial ist nicht nur zur Dämpfung der Schwingmenbran eines Ultraschall-Schwingers verwendbar. Vielmehr sind Anwendungen auch im hörbaren Bereich vorsehbar, wobei allerdings die Dichte des Materials und die Größe der in ihm verteilten Hohlräume zu berück sichtigen sind.The damping material is not only for damping the vibrating diaphragm an ultrasonic transducer can be used. Rather are applications can also be provided in the audible range, although the density of the Material and the size of the cavities distributed in it are visible.
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- 1993-02-19 TW TW82101159A patent/TW207003B/zh active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1993011527A1 (en) | 1993-06-10 |
| TW207003B (en) | 1993-06-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8141 | Disposal/no request for examination |